Modelagem numérica de fundações profundas isoladas sob carga transversal em solos com módulo de reação constante ou variável
DOI:
https://doi.org/10.18265/2447-9187a2025id8997Palavras-chave:
elementos finitos, fundações profunda, modelo de Hetényi, modelo de Miche, módulo de reação do subleito horizontalResumo
Este estudo apresenta uma análise comparativa entre as formulações analíticas de Hetényi (1946) e Miche (1930) e uma abordagem numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF), com o objetivo de avaliar o comportamento de fundações profundas e longas submetidas a ações horizontais aplicadas no topo incluindo força horizontal e/ou momento fletor. A motivação para este trabalho reside nas limitações das soluções analíticas para representar adequadamente a variabilidade do solo, particularmente em casos que envolvem geometrias complexas ou condições de contorno mais realistas, onde os métodos numéricos oferecem maior flexibilidade e precisão. Foram consideradas duas distribuições do módulo de reação horizontal do subleito (Kh), que caracterizam a interação solo-estrutura: uma constante e outra linearmente variável com a profundidade. A fundação foi modelada como uma viga de Euler-Bernoulli, e a interação solo-estrutura foi representada por molas horizontais segundo o modelo de Winkler. O modelo numérico foi implementado tanto no ambiente de programação Python quanto no software ANSYS APDL. Deslocamentos horizontais, rotações e esforços internos (momento fletor – M e força cortante – V) foram obtidos ao longo do fuste da fundação. Dois casos são analisados: (i) uma estaca longa em solo com Kh constante e (ii) um caixão longo em solo com Kh variando linearmente com a profundidade. Os resultados do MEF obtidos em Python foram comparados com as soluções analíticas de Hetényi e Miche (formulação simplificada), com resultados numéricos do ANSYS APDL e com dados da literatura, demonstrando boa concordância e validando a abordagem numérica proposta. A validação foi reforçada por meio de comparações quantitativas, análise de convergência e consistência física dos resultados. Os modelos numéricos implementados mostraram-se adequados para estimar deslocamentos horizontais, distribuições de forças internas (M e V), rotações e identificar a localização e a magnitude do momento fletor máximo ao longo do fuste da fundação, parâmetros essenciais para o projeto de fundações profundas.
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Referências
ABUSHAMA, K.; HAWKINS, W.; PELECANOS, L.; IBELL, T. Optimising the embodied carbon of laterally loaded piles using a genetic algorithm and finite element simulation. Results in Engineering, v. 24, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103188.
ALONSO, U. R. Dimensionamento de fundações profundas. 3. ed. São Paulo: Blucher, 2019.
ALVES, E. C.; FIOROTTI, K. M.; CARVALHO JÚNIOR, M. O. Análises dos efeitos da interação solo-estrutura em edifícios altos com lajes protendidas. Revista Principia, v. 57, p. 159-175, 2021. DOI: https://doi.org/10.18265/1517-0306a2021id4855.
API – AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms. API RP 2A, 2007.
BARBOSA, Y.; TAROZZO, M. H. P.; ALBUQUERQUE, P. J. R.; CARVALHO, D. Behavior of a new laterally top-loaded post-grouted micropile in highly porous lateritic soil. Revista DYNA, v. 90, n. 225, p. 123-131, 2023. DOI: https://doi.org/10.15446/dyna.v90n225.104807.
BRAUN, K. T.; MARKOU, G.; JACOBSZ, S. W.; CALITZ, D. Developing predictive models for the load-displacement response of laterally loaded reinforced concrete piles in stiff unsaturated clay using machine learning algorithms. Structures, v. 64, 106532, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.106532.
BROMS, B. B. Lateral resistance of piles in cohesionless soils. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, v. 90, n. 3, p. 123-158, 1964. DOI: https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0000614.
CHRISTAN, P.; PUPPI, R. F. K. Estudo da interação solo-estaca sob carregamento horizontal. Geotecnia, n. 133, p. 91-101, 2015. DOI: https://doi.org/10.24849/j.geot.2015.133.07.
DAS, B. M.; SIVAKUGAN, N. Principles of foundation Engineering. 9. ed. Cengage Learning, 2022.
DÍAZ, H.; SOARES, C. G. Review of the current status, technology and future trends of offshore wind farms. Ocean Engineering, v. 209, 107381, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.107381.
FOURSOFF, W. E. Investigation into a new CPT-based design method for large diameter monopiles in sand. 2018. Master Thesis (Master in Offshore and Dredging Engineering) –Delft University of Technology, Delft, 2018. Disponível em: https://repository.tudelft.nl/record/uuid:f403723b-2bcd-456e-ad58-2e11f8e7402b. Acesso em: 14 jul. 2025.
HETÉNYI, M. Beams on elastic foundation: theory with applications in the fields of Civil and Mechanical Engineering. Ann Arbor: University of Michigan Press, 1946.
HU, Q.; HAN, F.; PREZZI, M.; SALGADO, R.; ZHAO, M. Finite-element analysis of the lateral load response of monopiles in layered sand. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, v. 148, n. 4, 2022. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002745.
JINDAL, S.; RAHMANLI, U.; ALEEM, M.; CUI, L.; BHATTACHARYA, S. Geotechnical challenges in monopile foundations and performance assessment of current design methodologies. Ocean Engineering, v. 310, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.118469.
KASSOUF, R. Análise de prova de carga em tubulão a céu aberto submetido a esforço horizontal em solo não saturado de diabásio da região de Campinas. 2012. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2012. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1618909. Acesso em: 14 jul. 2025.
LOGAN, D. L. A first course in the finite element method: enhanced. 6. ed. Boston: Cengage Learning, 2022.
MA, J.; HAN, S.; GAO, X.; LI, D.; GUO, Y.; LIU, Q. Dynamic lateral response of the partially-embedded single piles in layered soil. Applied Sciences, v. 12, p. 1504, 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/app12031504.
MICHE, R. I. Investigation of piles subject to horizontal forces. Application to quay walls. Journal of the School of Engineering, n. 4, Giza, Egito, 1930.
RANI, S. Estimation of linear spring constant for laterally loaded monopile embedded in nonlinear soil. 2013. Master Thesis (Mestrado) – Indian Institute of Technology Gandhinagar, Ahmedabad, 2013.
REESE, L. C.; COX, W. R.; KOOP, F. D. Analysis of laterally loaded piles in sand. In: OFFSHORE TECHNOLOGY CONFERENCE (OTC), Houston, 1974. Proceedings [...]. Hoston, 1974. DOI: https://doi.org/10.4043/2080-MS.
ROSENDO, D. C. Análise experimental e teórica de grupos de estacas carregadas horizontalmente em solo laterítico. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2020. Disponível em: https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1157997. Acesso em: 14 jul. 2025.
ROSENDO, D. C.; ALBUQUERQUE, P. J. R. General analytical solution for laterally loaded pile-based Miche model. Geotechnical and Geological Engineering, v. 39, p. 765-782, 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/s10706-020-01520-1.
SOUZA, D. B.; DELALIBERA, R. G. Análise numérica de blocos sobre doze estacas: estudo de caso. Revista Principia, v. 61, n. 4, p. 890-914, 2024. DOI: https://doi.org/10.18265/1517-0306a2022id7248.
SUN, M.; SHAN, Z.; WANG, W.; XU, S.; LIU, X.; ZHANG, H.; GUO, X. Numerical investigation into the stability of offshore wind power piles subjected to lateral loads in extreme environments. Journal of Marine Science and Engineering, v. 12, n. 6, 915, 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/jmse12060915.
TERZAGHI, K. Evaluation of coefficients of subgrade reaction. Geotechnique, v. 5, n. 4, p. 297-326, 1955. DOI: https://doi.org/10.1680/geot.1955.5.4.297.
VESIC, A. B. Bending of beams resting on isotropic elastic solid. Journal of the Engineering Mechanics Division, v. 87, n. 2, p. 35-54, 1961. DOI: https://doi.org/10.1061/JMCEA3.0000212.
VELLOSO, R. Q.; LOPES, F. R. Fundações: teoria e prática. 2. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2012.
WANG, H.; LEHANE, B. M.; BRANSBY, M. F.; WANG, L. Z.; HONG, Y.; ASKARINEJAD, A. Lateral behavior of monopiles in sand under monotonic loading: insights and a new simple design model. Ocean Engineering, v. 277, 114334, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.114334.
ZHANG, X.; LI, J. Study on the structure parameters and design method optimization of blade-type screw steel pipe pile. Heliyon, v. 10, n. 15, e35046, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e35046.
ZIENKIEWICZ, O. C.; TAYLOR, R. L. The finite element method: its basis and fundamentals. 8. ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2024.
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